磁振子研究取得突破，为微型量子计算机铺平道路
维也纳大学
2026年5月4日

磁振子是磁化中的微小波浪，是混合量子系统和量子计量的理想构建模块。然而，它们此前最多只有几百纳秒的寿命过短，一直是个障碍。由维也纳大学的安德里·丘马克（Andrii Chumak）领导的一支国际物理学家团队，现已成功将这一寿命延长了一百倍，达到最多18微秒——为制造一枚硬币大小的量子计算机铺平了道路。科学家们还做出了关键发现：决定磁振子寿命的并非物理定律，而是材料问题。该研究最近发表在著名的期刊上科学进展。
磁子是磁化强度中的微小波动，在固体磁性材料中传播，就像石头投入池塘时泛起的涟漪一样。与在真空或光纤中传播的光子不同，磁子在磁性固体内部传播。它们的波长可以缩短至纳米量级，这意味着磁子电路在原理上可以集成到与当今智能手机芯片大小相当的芯片上。此外，作为固体中的一种激发态，磁子自然地与许多其他基本准粒子（如声子、光子等）耦合，这使其成为构建混合量子系统和量子计量学的理想区块。
直到现在，一直存在一个主要障碍：磁振子的寿命非常短。这种寿命——即它们能够可靠地携带量子信息的持续时间——在最好的情况下也仅限于几百纳秒。对于任何实际的量子计算来说，这都太短了。由Wiener领导的团队现在取得了突破：物理学家们能够测量出长达18微秒的磁振子寿命——这几乎是迄今为止观察到的任何数值的100倍。在这种状态下，磁振子不再是转瞬即逝的信号，而是变成了长寿命、可靠的量子信息载体，可与当今领先的量子处理器中使用的超导量子比特相媲美。
这一突破的关键在于两种理念的结合。首先，研究团队激发的是短波长磁振子，而非传统的均匀磁振子。短波长磁振子本身对晶体表面缺陷不敏感，而这些缺陷正是此前所有实验中限制磁振子寿命的根源。其次，研究人员将超纯钇铁石榴石（YIG）球体置于混合相低温恒温器中，冷却至仅30毫开尔文——即绝对零度以上不到一度的温度。在如此极端的低温下，所有通常会破坏磁振子的热过程都已基本冻结。
至关重要的是，研究团队证明，限制声子寿命的剩余极限并非由自然的基本定律决定，而是由晶体中微量的杂质造成的。研究人员测试了三个纯度不同的样品，结果显而易见：材料越纯净，声子的寿命就越长。即使是纯度最低的样品也打破了以往的所有纪录。这意味着未来的进步取决于材料科学——而非新物理定律的发现——前方的道路一片开阔。
这对量子技术意味着什么
磁振子的寿命长达18微秒，它们从损耗性的中间环节转变为芯片上坚固的量子存储器和低损耗通信链路。它们可以沿着共享路径连接数百个量子比特——这是一种期待已久的“量子总线”，将成为可扩展量子计算机缺失的关键组件。由于磁振子存在于固态中，并能与多种不同的量子系统耦合，它们可以充当混合量子架构中的通用翻译器，连接原本无法相互通信的技术。
摘要：
磁振子是混合量子系统和量子计量的理想构建单元。
迄今为止的主要障碍是磁振子的寿命较短，此前最多只能维持几百纳秒。
由维也纳大学领导的物理学家团队现已成功将这一寿命延长了一百倍，达到最多18微秒。
这一过程中的关键发现是：没有哪条物理基本定律支配着磁振子的寿命；相反，这取决于材料科学。
这为制造出硬币大小的量子计算机铺平了道路。
该研究基于罗斯特斯拉夫·谢尔哈（Rostyslav Serha）在其博士论文中进行的一项实验。该研究在维也纳大学的领导下，与科罗拉多大学科罗拉多斯普林斯分校以及德国、美国和乌克兰的机构合作开展。作者凯特琳·麦克阿利斯特（Kaitlin McAllister）的工作得益于维也纳物理博士学校的支持，该学校为来自世界各地的优秀硕士生提供实习机会。.